多协议列车以太网方案及测试方法

多协议列车以太网方案及测试方法

董利芳1,朱忠超2,张红星3,石华4,薛莲敏5

（中车唐山机车车辆有限公司 产品研发中心，河北唐山 063035）

摘要：列车网络系统作为车载各系统通信的桥梁，统一规划协议及架构。DHCP、SNTP、TFTP、TRDP等多种协议应用于列车以太网使网络功能更强大，同时也需要进行相关测试来保障可靠性。

关键词：列车以太网、DHCP、SNTP、TFTP

中图分类号：U27 文献标识码：A

作者简介：董利芳（1982-）高级工程师，从事轨道车辆设计工作

1.引言

当今以太网多应用于列车多用于维护网络、监视控制网络。作为统一的网络，各入网设备需要遵循统一的网络协议实现各自的功能。

2.应用协议

本文提出的以太网方案采用DHCP[1]自动分配IP、时间同步采用SNTP[2]协议、TFTP[3]实现文件传输及TRDP[4]协议传输过程数据。

本方案主要涉及DHCP、SNTP和TFTP应用于列车网络系统：

1）通过DHCP协议绑定以太网交换机物理端口的设计方法，解决同一车辆网络内部两个及以上相同控制器的IP地址自动分配，例如多个车门控制器；

2）通过SNTP协议实现列车网络系统和子系统的时间同步；

3）通过TFTP协议实现软件文件的传输，方便管理和更新各车载设备的软件版本。

本方案的关键技术在确定以太网设备物理端口性能的基础上，对多协议的以太网列车网络系统，进行协议测试，确保每种协议的正确性，提高列车网络的可靠性。

3.测试原理及方法

3.1物理波形测试

列车以太网设备百兆插头采用M12 D-Code，具体测试框图如下：

图1 百兆以太网设备物理接口测试图

其中测试夹具包含测试板和校准板，测试板用于连接被测设备信号到测试设备。进行回波损耗测试时，需要使用校准板。

测试方法：1）按图1进行设备连接，被测设备、示波器、PC机；

被测设备和示波器均上电，被测以太网设备外发空闲波形，示波器抓取数据并进行分析。

测试指标：

1）输出电压：950mV < Vout < 1050mV，0.98 < 正电压/负电压 < 1.02；

2）过冲范围：正过冲或负过冲< 5％并且在8ns内衰减到< 1％；

3）上升/下降时间3ns≤trise/fall≤5ns，最大最小时间差≤0.5ns；

4）占空比失真<±0.5ns；

5）峰-峰值抖动< 1.4ns。

32 DHCP协议

终端设备可采用静态配置IP也可通过DHCP动态获取IP。若终端设备采用DHCP，则入网终端客户端只是初次启动时通过DHCP请求向DHCP服务器获取IP地址、子网掩码、网关等信息。DHCP协议过程参见图2。

图2 DHCP协议过程图

DHCP客户端发起寻找DHCP服务器的行为；

一旦服务器收到客户端发来的发现报文，则会回应客户端服务器为其分配的IP，并更新已分配IP列表；

客户端重新发送包含服务器地址和本身IP的信息发给服务器进行确认；

服务器检测客户端发来的IP信息是其分配的IP，则应答客户端；若服务器检测到客户端反馈的IP信息不一致，则重新修改已分配IP列表；

客户端收到服务器发来的正确IP应答，则开始使用为其分配的IP地址。

DHCP测试连接框图见下图。网络控制器作为服务器，被测百兆以太网设备作为客户端。

图3 网络系统与被测设备连接框图

其中交换机和网络控制器均为网络设备，协议分析仪为装有协议分析软件的笔记本，被测百兆以太网设备为入网的终端设备。

测试方法：1）按网络系统、被测设备、协议分析仪按连接框图进行连接，给网络设备上电；

2）打开协议分析仪，开始抓取数据；

3）被测设备上电，用协议分析仪查看协议数据进行分析。

测试标准：被测终端设备采用网络预先分配的IP地址和网络控制器进行通信。

3.3 SNTP协议

SNTP协议应用列车网络实现各系统的时间同步，工作原理参见下图。

图4 SNTP时间同步过程

图4中T1客户方发送时间查询请求时间点（以客户端时钟为参考），标记为Orginate Timestamp；T2为服务器接收到客户端请求报文的时间点（以服务器时钟为参考），标记为Reveive Timestamp；T3为服务器回复客户端时间请求的时间点（以服务器时钟为参考），标记为Transmit Timestamp；T4为客户端收到时间信息包的时间点（以客户端时钟为参考），标记为Destination Timestamp。即T1和T4均是客户端对于客户端本身的时间点，T2和T3均是服务器相对于服务器本身的时间点。则T3-T2为服务器的处理延迟时间。整个请求应答过程由于网络传输造成的延时设为x，则x=(T4-T1)-(T3-T2)。

若网络传输往返延迟是对称的，则本地客户端和服务器的差值△t=T1+x/2-T2=（T1+T4-T3-T2)/2。本地客户端将时钟减去△t即可保证和服务器时钟一致。

测试方法：1）按网络系统、被测设备、协议分析仪按连接框图进行连接，给网络设备上电；

2）打开协议分析仪，开始抓取数据；

3）被测设备上电，用协议分析仪查看协议数据进行分析获取SNTP报文中的四个时间点，计算客户端（被测百兆以太网设备）同步后的△t=（T1+T4-T3-T2)/2，即为客户端和服务器同步后的时间差

测试指标：经验差值不应该大于20ms。

3.4 TFTP协议文件传输

网络系统对应用软件进行统一管理，当网络控制器获取到新版本的子系统应用软件后会和当前版本进行对比，若版本不一致，由随车操作人员决定是否更新。若更新需要，只需在网络显示屏上点击更新按钮，则网络系统和子系统协同实现应用软件的自动更新。

网络控制单元作为服务器，子系统控制器作为客户端。网络通知子系统进行软件更新，子系统需要评定目前状态是否可以接收新版软件并进行更新，子系统更新完毕后需要告知网络控制器以形成闭环。通过TFTP协议传输文件包的过程见下图。

图5 TFTP文件传输过程

测试方法：

1）按网络系统、被测设备、协议分析仪图3进行连接，给网络设备和被测试设备上电；

2）打开协议分析仪，开始抓取数据；

3）网络系统模拟发起子系统软件更新询问，子系统回复当前是否准备好；

4）采用TFTP协议由子系统发起，网络发送需要更新的文件包；

5）子系统接收到新版软件文件后进行软件更新，并反馈软件文件校验情况及是否更新成功等信息。

测试指标：

1）被测子系统能根据网络发出的软件更新询问进行正确反馈。

2）被测子系统能接收到软件文件包，并自行更新软件。

3）测子系统更新完成后能自行回复更新情况信息。

3.5 TRDP列车实时数据协议

TRDP协议主要根据实际应用设计列车监视及控制数据的收发。

测试方法：

1）按网络系统、被测设备、协议分析仪图3进行连接，给网络设备和被测试设备上电；

2）打开协议分析仪，开始抓取数据；

3）网络系统模拟发送的应用报文，子系统进行报文的收取和解析；

3）子系统模拟发送的应用报文，网络系统进行报文的收取和解析，两者一致。

测试指标：

1）网络发送的数据，子系统可以正确解析；

2）子系统发送的数据，网络控制单元可以正确解析。

4、结束语

本文针对一种多协议以太网列车网络方案及测试方法第一：进行硬件接口性能测试；第二：用DHCP协议减少不必要的硬件编码及物料；第三：用SNTP协议提高时间同步精度；第四：用TFTP协议可以有效提高列车网络的软件版本管理精准度，方便维护人员进行软件更新操作。

参考文献

[1]万春艳.DHCP安全系统构架的研究[D].浙江大学，2007 P4-16.

[2]温东旭，马国强，王俊峰.SNTP协议的分析[J].继电器，2008.

[3]邢亮，谢克嘉，张晓红，徐晓光，基于航电通信网络中简单文件传输协议的实现[J].航空计算技术.

[4]国际电子协会，IEC61375-2-3铁路电气设备-列车通信网络 TCN通信协议，2015.

Multi-protocal train ETHernet Plan and test methods

Donglifang，Zhuzhongchao，zhanghongxing，Shihua，Xuelianmin

(R&D Center, CRRC Tangshan Co., Ltd, Tangshan 063035)

Abstract: Train network is the bridge of communication between train systems，and plan a unified Communication architecture. DHCP, SNTP, TFTP, TRDP and other protocols used in train ethernet make the network more powerful, but also need to carry out related tests to ensure the reliability.

Keywords: Train Ethernet, DHCP, SNTP, TFTP